Như chúng ta đã biết, vật chất thông thường và vật chất tối chỉ chiếm khoảng 1 phần tư vũ trụ, gần 3 phần tư còn lại thuộc về năng lượng tối. Cho tới tận nay, các nhà khoa học vẫn chưa có lời giải thích chắc chắn về bản chất cũng như cách năng lượng tối hoạt động. Vậy làm như thế nào chúng ta biết được nguồn năng lượng kì lạ này tồn tại?

Sự giãn nở của vũ trụ

Năm 1929, nhà vật lý thiên văn người Mỹ Edwin Hubble đã nghiên cứu về các vụ nổ sao được gọi là sao siêu mới để chứng minh được rằng vũ trụ đang giãn nở và tìm cách để xác định tốc độ giãn nở của vũ trụ. Các nhà khoa học tại thời điểm đấy đều tin rằng lực hấp dẫn chiếm ưu thế sẽ kìm hãm sự giãn nở của vũ trụ. Và câu hỏi đặt ra là, sự giảm tốc ấy diễn ra như thế nào?

Vật Lý Thiên Văn - Chia sẻ niềm đam mê!

Hình 1: Các cụm thiên hà này đại diện cho hơn 80 cụm thiên hà mà chúng ta sử dụng để theo dõi dấu vết sự tác động của năng lượng tối lên lượng vật chất đồ sộ của chúng theo thời gian. Hầu hết vật chất trong các cụm thiên hà này đều là các khối khí cực nóng, là nguồn phát dồi dào tia X. Credit: NASA/CXC/SAO/A.Vikhlinin et al

Trong những năm 1990, 2 nhóm nghiên cứu vật lý thiên văn độc lập tiếp tục sử dụng các sao siêu mới xa xôi để tính toán sự giảm tốc của vũ trụ. Nhưng kết quả đã khiến họ vô cùng ngạc nhiên, vũ trụ không mở rộng chậm lại như suy nghĩ của họ, mà nó đang tăng tốc! Điều đó có nghĩa là trong vũ trụ phải đang tồn tại một thứ gì đó đóng vai trò chống lại lực hấp dẫn, và các nhà khoa học gọi đó là "Năng lượng tối"...

Các nhà khoa học đã ước lượng trong vũ trụ rằng vật chất "thông thường" bao gồm vật chất phát sáng (các ngôi sao, thiên hà, vv) chỉ chiếm 0.5%, 4,5% là vật chất thông thường không phát sáng (các đám bụi khí không phát sáng trong khoảng không gian giữa các thiên hà, vv), 27% là vật chất tối. Các tính toán và đo đạc của giới khoa học chỉ ra rằng năng lượng tối chiếm 68% phần còn lại trong vũ trụ.

Mặc dù chúng ta biết được năng lượng tối là nguyên nhân chính gây nên sự tăng tốc giãn nở của vũ trụ, nhưng bởi vì nó là "tối", không thể quan sát bằng mắt thường hay các công cụ nên bản chất, cách thức hoạt động của chúng vẫn tiếp tục là 1 bí ẩn lớn, thách thức con người hiểu được nó.

Quintessence - Nguyên tố thứ năm

Biết rằng cách mà năng lượng tối tác động đến sự giãn nở của vũ trụ sẽ nói cho các nhà khoa học rất nhiều điều. Các tính chất của thứ chưa biết này vẫn đang chờ được khai phá. Các quan sát gần đây cho thấy rằng năng lượng tối đã hiện diện liên tục trong suốt chiều dài lịch sử của vũ trụ, chắc chắn sẽ cung cấp những hiểu biết sâu sắc vào những vật chất chưa thể nhìn thấy.

Một lời giải thích khả dĩ cho năng lượng tối là vũ trụ được lấp đầy bởi 1 trường năng lượng biến đổi , được biết tới với cái tên "quintessence" – "nguyên tố thứ năm". Tuy nhiên nó là gì, nó có cấu tạo hay hoạt động như thế nào, vẫn là vấn đề  gây tranh cãi.

Tuy nhiên, một lý thuyết hàng đầu lại cho rằng năng lượng tối là một đặc tính của vũ trụ, Einstein là người đầu tiên hiểu rằng không gian không đơn thuần trống rỗng, mà nó được lấp đầy với nguồn năng lượng riêng của chúng, và vì nó là đặc tính của không gian nên nó không bị loãng đi khi vũ trụ giãn nở ra dần. Hơn nữa nó có thể thêm nhiều không gian hơn vào không gian hiện nó, đồng nghĩa với việc nhiều năng lượng tối hơn được thêm vào vũ trụ, gây nên sự giãn nở của vũ trụ.

Dựa theo các phương trình thuyết tương đối tổng quát, Albert Einstein nhận ra rằng vũ trụ là động chứ không phải là tĩnh, tức là nó có chiều hướng co sập lại hoặc giãn nở to ra. Tuy nhiên các quan sát vào thời ấy chỉ ra rằng vũ trụ là tĩnh, ông không đủ tin tưởng vào lý thuyết của mình nên ông buộc phải thêm 1 "hằng số vũ trụ" để cân bằng với lực hấp dẫn giữa các thiên hà có xu hướng kéo vũ trụ co lại với nhau. Cho đến khi Hubble công bố rằng vũ trụ đang giãn nở, Einstein đã lập tức loại bỏ "hằng số vũ trụ" và coi nó như 1 sai lầm ngớ ngẩn của ông.

Tuy nhiên sau khi phát hiện ra rằng tốc độ giãn nở của vũ trụ đang tăng lên, thì "hằng số vũ trụ" lại trở thành một công cụ tốt nhất để giải thích cho năng lượng tối.

Mặc dù "hằng số vũ trụ" nói trên hoàn toàn trùng khớp với các quan sát thực nghiệm, thì vẫn chưa ai hiểu tại sao nó lại trùng khớp với mô hình này đến vậy.

Năng lượng tối và vật chất tối

Năng lượng tối chiếm phần lớn của vũ trụ, nhưng vật chất tối cũng có một lượng đáng kể. Có đến 27% vũ trụ là vật chất tối, và lượng vật chất tối này chiếm đến 80% tổng vật chất của vũ trụ. Do đó vật chất tối cũng đóng một vai trò chủ đạo.

Cũng như sự mù mờ thông tin về năng lượng tối, bản chất thật sự của vật chất tối cũng là 1 bí ẩn chưa lời đáp cho tới hiện nay. Điều đó đồng nghĩa với việc chúng ta đang sống trong 1 vũ trụ "tối", khi mà ở đó hơn 95% thành phần vũ trụ là chưa được khám phá.

Tương tự với năng lượng tối, vật chất tối cũng đang làm bối rối các nhà khoa học. Trong khi năng lượng tối là một lực liên quan đến sự giãn nở của vũ trụ, thì vật chất tối lại là thứ giải thích cách các nhóm đối tượng trong vũ trụ vận hành cùng nhau.

Trong những năm 1950, các nhà khoa học khi nghiên cứu các thiên hà khác với kỳ vọng rằng lực hấp dẫn sẽ khiến tâm của các thiên hà quay nhanh hơn phần rìa ngoài, dựa trên sự phân bố của các đối tượng bên trong chúng. Nhưng họ đã hoàn toàn ngạc nhiên, bởi cả hai khu vực bên trong và ngoài rìa đều quay ở mức tương tự nhau, cho thấy rằng các thiên hà xoắn ốc đã chứa thêm một lượng đáng kể khối lượng so với những gì chúng ta nhìn thấy. Các nghiên cứu về khí bên trong các thiên hà elliptical và các cụm thiên hà cũng tiết lộ rằng vật chất bí ẩn này đã lan truyền khắp nơi trong vũ trụ.

Vật Lý Thiên Văn - Chia sẻ niềm đam mê!Vật Lý Thiên Văn - Chia sẻ niềm đam mê!

Hình 2: Biểu đồ so sánh vận tốc của các đối tượng theo khoảng cách của chúng đến tâm hấp dẫn. Hình trên là vận tốc của các hành tinh trong Hệ Mặt Trời, từ trong ra ngoài thì vận tốc của các hành tinh giảm dần. Trong khi đó ở ảnh dưới, tính từ tâm của Ngân Hà ra đến rìa, các đối tượng ở bên ngoài lại có vận tốc cao hơn so với các đối tượng ở gần tâm.

Các nghiên cứu về các ngôi sao trong Ngân Hà cũng cho kết quả tương tự khi vận tốc của các ngôi sao ở xa tâm thiên hà thay vì nhỏ hơn vận tốc của các ngôi sao gần tâm như các hành tinh trong Hệ Mặt trời, thì chúng lại có vận tốc bằng hoặc lớn hơn so với các ngôi sao ở tâm. Hơn nữa, tốc độ của chúng đều rất cao (vd. hệ Mặt trời quay quanh tâm dải Ngân Hà với vận tốc 220 km/s), đồng nghĩa với việc phải tồn tại 1 lượng lớn vật chất bổ sung nào nó có tác dụng như lực hấp dẫn để cân bằng với lực li tâm do chuyển động quay của chúng gây ra, tránh trường hợp chúng bị ném văng ra xa nhau và giải thích cho nghịch lý vận tốc - khoảng cách nêu ra ở trên. 

Khi đo tổng khối lượng vật chất trong các thiên hà, các nhà khoa học nhận thấy rằng tổng khối lượng vật chất trong các thiên hà lớn hơn nhiều so với tổng khối lượng vật chất thông thường (sao, bụi khí, v.v...) đo được tại đấy. Các nghiên cứu chỉ ra rằng khối lượng vật chất thông thường chỉ chiếm 10% tổng khối lượng của cả thiên hà, tức là 90% còn lại được nắm giữ bởi 1 khối lượng khổng lồ của loại vật chất mà con người không thể nhìn thấy được.

Các nhà khoa học có một số ứng viên tiềm năng cho vật chất tối, bao gồm từ những đối tượng vô cùng mờ nhạt cho đến những hạt lạ. Nhưng bất kể nguồn gốc của cả vật chất tối và năng lượng tối là gì, thì rõ ràng là vũ trụ đang bị ảnh hưởng bởi những thứ mà các nhà khoa học không thể quan sát một cách thông thường được.

 Nola Taylor Redd, SPACE.com Contributor

Nguồn: Space.com

Tham khảo:

 

Sinh viên cử nhân ngành Vũ trụ và Ứng dụng, trường Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội - USTH (2016 - 2019).

Bài viết xem nhiều